基于LabVIEW 的电容式传感器虚拟仿真实验系统设计

2022-04-21成妍妍龙翠翠

现代制造技术与装备 2022年3期

庞启成妍妍龙翠翠

（陇南师范高等专科学校机电工程学院，陇南 742500）

在我国高等职业教育快速发展过程中，实验教学已成为教育的一个重要环节。高职扩招专项计划实施后，职业院校学生规模进一步增加，生源结构呈现多样化。在实际教学中，学生基础薄弱等问题逐渐凸显，教学难度进一步增大，学生接受理论知识和熟练实验操作过程效果一般。传感器与检测技术作为机电一体化等专业的核心课程，具有涵盖知识面广、实验教学比重大等特点。虚拟仿真实验系统的开发有助于提高学生的学习兴趣，加快学生对理论知识的理解和掌握。

LabVIEW 虚拟仿真软件以图形化编程[1]、可视化等优势，在测试、控制、监测[2-3]以及仿真[4-5]等方面应用广泛。传感器类课程实验教学过程中[6]，虚拟仿真实验系统对学生理解实验原理提供了极大帮助。基于LabVIEW 软件平台，设计电容式传感器虚拟仿真测位移实验系统，可在同一界面完成变面积、变介电常数和变极距3 种类型的传感器数据检测等，大大缩短了仿真实验时间，提升了实验效率。

1 实验基本原理

如图1 所示，由绝缘介质隔开的平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为：

式中：ε 为电容极板间介质的介电常数，其中ε0为真空介电常数，εr为极板间介质相对介电常数；S为两平行板所覆盖面积；d 为两平行板之间的距离。S、ε、d 这3 个参数中任何一个发生变化，都将引起电容变化。通过转换电路将电容变化转换为电压信号输出，是电容式传感器的基本工作原理。

电容式传感器将位移的变化转换为电容量变化。由于电容数值很小，需要通过转换电路将电容转换成电压信号输出。图2 为转换运算放大器电路，其中C是固定电容，Cx是传感器电容，U˙i 是交流电压源，是输出电压信号。在开环放大倍数和输入阻抗较大情况下，有：

图3 中，C1和C2为差动变极距式电容传感器的电容量，进一步可得到差动式电容式传感器输出电压为：

2 虚拟仿真系统

基于LabVIEW 软件平台的电容式传感器虚拟仿真实验系统主要由创建数据、创建数据库、数据拟合及绘图、位移解调4 部分组成。在前面板可自行选择模块进行实验。实验中加入不超过电容、电压最大值1%的随机误差，设定数据动态变化时间为1 s。在“创建数据”界面，可同时运行不同类型电容式传感器模块进行位移和电压数据观测。

图4 和图5 分别为数据观测的前面板和程序界面。前面板中，变面积型、变极距型（含差动式）、变介电常数型传感器分别在3 个独立的板块上，可单独选用其中1 个运行，也可3 个同时运行。通过模块上的旋钮调整板块移动位移的大小，观测电压表示值变化，储存获得的数据，储存格式为DAT 文件。

利用最小二乘法拟合出不同类型电容式传感器的电压和位移曲线均为线性关系，如图6 所示。其中：变面积和变介电常数型测位移范围较大，灵敏度较低；变极距型测位移范围较小，灵敏度较高。经模拟测量，绝对误差平均值依次是：变面积型0.064，变介电常数型0.105，变极距型0.006，变极距型（差动式）0.003。各曲线斜率值和截距如表1 所示。